CN108255431B - 一种统一管理的、基于策略的低功耗归档分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明特别涉及一种统一管理的、基于策略的低功耗归档分析系统及方法，该统一管理的、基于策略的低功耗归档分析系统及方法通过将整个离线资源池化，提供统一的命名空间，实现存储资源集中式离线管理；通过在归档分析系统中依据策略智能设置数据冷热，在虚拟层面进行整个集群的功耗控制，并结合上下电或MAID等节电技术，实现系统的智能化供电，从而一方面保证有读请求到来时可提供及时的读取数据能力，另一方面保证整个集群的低功耗运行。本发明方法简单有效，不仅很好地解决了大规模离线存储资源管理的问题，还通过调度节电技术解决了系统整体最优的问题。

Description

一种统一管理的、基于策略的低功耗归档分析系统
技术领域
本发明属于计算机存储领域，特别涉及服务器集群和元数据集群管理技术，具体涉及一种低功耗归档分析系统。适用于归档和对集群功耗有特殊要求的场景。
背景技术
在互联网、物联网、云计算和大数据等快速发展的大环境下，企业正面临着海量数据的归档和分析时的能耗问题。由于在很多场景下需要对历史归档数据做在线或离线分析，因此传统的磁带归档方式无法满足性能的要求。使用磁盘形成大规模集群的方式可以一定程度上解决归档和分析的访问性能问题，但是功耗问题相对于磁带方案成为了一个严重的问题，目前已有可控制设备上下电和控制磁盘是否工作的节电技术(如，MAID等)，控制设备上下电技术可通过硬件控制物理设备开机和关机，可实现远程控制和无人值守，方便对物理设备进行节电控制，但控制范围为单一物理节点，并不能进行整个集群的全局节电管理；MAID技术可控制磁盘的工作时间，使磁盘只有在需要的时候才上电工作，其他时间可处于断电状态，达到省电的目的，但此技术只能对磁盘进行控制，同样不能对整个集群进行全局节电控制。当离线存储资源规模达到PB或者EB之后，如何管理海量离线资源，如何控制节电技术以达到满足正常访问性能的前提下系统整体功耗最低就成了一个问题。因此我们提出了一种统一管理的、基于策略智能适应的低功耗归档系统及方法，来管理海量离线存储资源并在满足数据分析性能的前提下尽可能降低归档系统的整体功耗。传统归档系统一般采用磁带来实现，正常状态下所有的磁带都放置在磁带库的槽位中，需要某盘磁带时才将它放在磁带机中，然后进行数据读写。而在大部分时间，大多数磁带是处在非工作状态的。这种方式虽然节能，但无法快速响应应用的请求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何高效管理大规模离线存储资源和如何高效调度节电技术以达到归档分析系统整体最优。
本发明针对上述问题，提出一种统一管理的、基于策略的低功耗归档分析系统，包含如下组成部分：系统调度模块、资源管理模块、节电模块、策略管理模块、元数据管理模块、离线资源池、物理存储设备集群；物理存储设备集群包含若干物理设备；系统调度模块负责接收和处理上层发送来的请求并负责调度节电模块；物理设备资源管理模块实现对物理存储设备集群的物理存储资源统一管理，将所有物理存储资源虚拟化为一个离线资源池；离线资源池被划分为n个资源子池，n为大于0的整数，每个资源子池对应不同的物理存储资源，由资源管理模块对物理存储资源进行动态划分和管理；节电模块调用物理设备的上下电功能或者MAID功能实现物理存储资源的节电控制；策略管理模块中包含m个节电策略，m为大于0的整数，系统根据应用特征智能选择节电策略；元数据管理模块管理元数据服务器集群，实现元数据与数据分离，提高系统整体归档和回迁性能。具体的，系统对物理存储设备集群采用全局统一命名空间，每个所述资源子池可独立的支持归档和回迁任务。
具体的，物理存储设备集群在离线资源池层实现节电控制，而非直接对物理存储资源进行节电控制，做到节电控制的全局化和虚拟化，支持在虚拟化层根据应用特征智能变更节电策略，实现全局性能和能耗的最优化配置。具体的，节电策略为基于数据冷热的虚拟层能耗控制，策略将要访问的数据块设置为热，并调用节电模块将其所在的资源子池中的物理存储设备设置为工作状态，不访问或者访问过的资源子池中的物理存储设备设置为非工作状态，达到在虚拟存储层进行系统整体节电控制。
具体的，归档过程的节电控制，当归档请求发起时，先由系统调度模块捕获该请求，通过查询元数据服务器确定该请求的写入位置，假设写入位置位于资源子池1
步骤一、将写入的数据块1到数据块i设置为热数据；
步骤二、调用节电模块将资源子池1中的物理存储资源，设置为工作状态；
步骤三、当资源子池1被写到水位后，调用节电模块提前启动另一个资源子池，此时假设是资源子池2；
步骤四、当资源子池1被写满后，其物理存储资源被设置为非工作状态，由资源子池2继续提供服务，已经写完的数据被设置为冷数据；
步骤五、如此循环直到资源子池n结束服务，实现在虚拟资源池层面的间接能耗控制，而非物理层面的直接能耗控制。
具体的，回迁过程的节电控制，包括如下步骤：
步骤一、当回迁请求发起时，先由系统调度模块捕获该请求，通过查询元数据服务器确定待回迁数据所在资源子池，此时假设回迁数据位于资源子池1；
步骤二、将待读取的数据设置为热数据；
步骤三、调用节电模块将资源子池1中的物理存储资源设置为工作状态；
步骤四、回迁结束后再通过节电模块将资源子池1中的物理存储资源设置为非工作状态，并将已经读完的数据设置为冷数据。
步骤五、如此循环直到资源子池n结束服务，实现在虚拟资源池层面的间接能耗控制，而非物理层面的直接能耗控制。
具体的，系统提供策略可编程接口，用户可以根据任务特征对节电模块的调度进行编程，动态可控的安排资源子池的工作状态转换和调整节电模块的使用策略，从而按需控制系统能耗。
本发明的优点与积极效果在于：
(1)通过全局统一命名空间集中式管理离线存储资源，实现资源的统一调度和支配，提升大规模离线存储资源的管理效率；
(2)根据可配置的策略在虚拟层智能设置数据冷热，从而结合上下电或MAID等节电技术实现离线归档系统低功耗运行，实现全局性能和能耗最优；
(3)通过在虚拟存储层调用节电模块来实现物理设备的功耗控制，而非直接控制物理设备，从而可以有效结合各种节电技术实现具体物理设备的功耗控制，增强了系统的节电策略的可扩展性和灵活性。
附图说明
图1是本发明系统结构图；
图2是归档过程节电控制；
图3是回迁过程节电控制；
图4是无交叉的任务并发节电控制；
图5是有交叉的任务并发节电控制；
图6是资源子池分配实例。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种统一管理的、基于策略的低功耗归档分析系统，用于解决大规模离线存储资源统一管理和通过高效调度节电技术以实现系统整体最优的问题。本发明所采用的技术主要是：对整个集群采用全局统一命名空间，将所有存储资源整合为一个离线资源池，并将离线资源池划分为n(n为大于0的整数)个资源子池，实现在虚拟存储层对存储资源的统一管理和划分，如图1所示。每个资源子池可独立的支持归档和回迁任务，从而使得整个系统可支持多任务并发执行，提高了系统整体归档和回迁性能；对整个集群在虚拟存储层进行节电控制，根据应用特征智能选择或配置节电策略。默认策略为基于数据冷热的虚拟层能耗控制。策略将要访问的数据块设置为热，并调用节电模块将其所在的资源子池中的物理存储设备设置为工作状态；不访问或者访问过的资源子池中的物理存储设备设置为非工作状态，达到在虚拟存储层进行系统整体节电控制。
如图1所示，为本发明所提供系统及方法的系统结构图，由系统调度模块、资源管理模块、节电模块、策略管理模块、元数据管理模块、离线资源池、物理存储设备集群等组成。物理存储设备集群包含若干物理设备。系统调度模块负责接收和处理上层发送来的请求并负责调度节电模块。资源管理模块实现物理资源的统一管理，将所有存储资源虚拟化为一个离线资源池。离线资源池被划分为n(n为大于0的整数)个资源子池，每个资源子池对应不同的物理存储资源，由资源管理模块对存储资源进行动态划分和管理。节电模块调用物理设备的上下电功能或者MAID等功能实现物理存储资源的节能控制。策略管理模块中包含m(m为大于0的整数)个节电策略，系统根据应用特征智能选择节电策略。元数据管理模块主要管理元数据服务器，元数据服务器以HA方式运行，图中的元数据服务器1和元数据服务器2被配置为镜像模式。主要完成离线存储系统所有文件元数据，实现元数据与数据分离，提高系统整体归档和回迁性能。物理存储设备集群采用全局统一命名空间，每个资源子池可独立的支持归档和回迁任务，从而使得整个系统可支持多任务并发执行，提高了系统整体归档和回迁性能。
统一管理的离线资源池被称为虚拟存储层。为尽可能使得系统在各种场景下达到整体功耗最低，系统在虚拟存储层面提供多种配置策略，并将数据设置为两种状态：冷数据和热数据。被访问的数据为热数据，不被访问的数据为冷数据。
如图2所示，为本发明的归档过程节电控制，当归档请求发起时，先由系统调度模块捕获该请求，通过查询元数据服务器确定该请求的写入位置，假设写入位置位于资源子池1
步骤一、将写入的数据块1到数据块i设置为热数据；
步骤二、调用节电模块将资源子池1中的物理存储资源(例如，物理设备1、物理设备2)设置为工作状态；
步骤三、当资源子池1被写到水位后，调用节电模块提前启动另一个资源子池，此时假设是资源子池2；
步骤四、当资源子池1被写满后，其物理存储资源被设置为非工作状态，由资源子池2继续提供服务，已经写完的数据被设置为冷数据；
步骤五、如此循环直到资源子池n结束服务，实现在虚拟资源池层面的间接能耗控制，而非物理层面的直接能耗控制。
如图3所示，为本发明的回迁过程节电控制，包括如下步骤：
步骤一、当回迁请求发起时，先由系统调度模块捕获该请求，通过查询元数据服务器确定待回迁数据所在资源子池，此时假设回迁数据位于资源子池1；
步骤二、将待读取的数据设置为热数据；
步骤三、调用节电模块将资源子池1中的物理存储资源(例如，物理设备1、物理设备2)设置为工作状态；
步骤四、回迁结束后再通过节电模块将资源子池1中的物理存储资源(例如，物理设备1、物理设备2)设置为非工作状态，并将已经读完的数据设置为冷数据。
步骤五、如此循环直到资源子池n结束服务，实现在虚拟资源池层面的间接能耗控制，而非物理层面的直接能耗控制。
默认策略适合于单一归档和回迁任务。当多任务并发执行时，每个任务各自依照默认策略的方式执行。
如图4所示，为无交叉的任务并发节电控制，假设当前有归档任务1和回迁任务2同时执行，如果归档任务1和回迁任务2不会访问同一个资源子池，则归档任务1和回迁任务2都按照默认的策略执行；
如图5所示，为有交叉的任务并发节电控制，如果归档任务1和回迁任务2有资源访问交叉时，假设归档任务1的归档操作访问资源子池n的物理设备1，而回迁任务2的回迁请求也访问资源子池n中的物理设备1，那么归档任务1结束后无需调用节电模块将资源子池n中的物理设备1设置为非工作状态，而是等回迁任务2的回迁过程结束后再将资源子池n中的物理设备1设置为非工作状态，这种方式可以尽可能减少无效的工作状态转换。
除此以外，系统还提供应用感知的策略，通过感知应用的IO模式，包括文件访问的时间局部性、空间局部性等，记录下历史数据访问的冷热状态，并预测未来哪些数据可能会被访问，预先安排资源子池的工作状态转换，从而智能调度节电模块。一方面避免无效的工作状态转换，另一方面可实现资源子池的预设置，在尽可能节电的前提下应对高性能访问的需求。
另外，系统提供策略可编程接口。用户可以根据任务特征对节电模块的调度进行编程，动态可控的安排资源子池的工作状态转换和调整节电模块的使用策略，从而按需控制系统能耗。如图6所示，系统由4个资源子池组成，其中资源子池1包含物理设备1和2；资源子池2包含物理设备3和4；资源子池3包含物理设备5和6；资源子池4包含物理设备7和8。假设有两个任务A和B准备运行。任务A的特征为持续不间断的归档请求，需要大量物理空间进行写操作。如图6，任务A会从资源子池1开始进行归档操作，当资源子池1被写满后，继续往资源子池2中写，以此类推直到资源子池4写满后，所有归档写请求执行完。任务B的特征为大粒度的回迁操作，操作会依次回迁资源子池3、资源子池2、资源子池1和资源子池4中的大量数据。当任务A执行到开始写资源子池4后任务B会启动。根据任务A和B的特征，可以提前设置节电控制策略。如表1，第一行为资源子池编号，第二行为每个资源子池中包含的物理设备编号。时间序列Ti(0≤i≤11)表示任务执行的时间先后顺序，即时序。Ti对应的每行表示当前时序上每个物理设备的上下电状态，“on”表示上电工作状态，“空”表示“off”，即断电状态。表1描述了预设的设备上下电状态。T0是系统初始状态，将资源子池1中的物理设备1设置为“on”，其余所有设备状态设置为“off”，并准备接受任务A。当任务A将物理设备1写满时，任务A进入到T1阶段，此时将资源子池1中的物理设备2设置为“on”，其余所有设备状态设置为“off”，以此类推，保证了当任务A执行的每一个阶段只有一个物理设备为上电状态，直到T6，此时任务B会启动并开始回迁物理设备5上的数据，任务A继续在物理设备上进行归档写。因此T6阶段需将物理设备5和7设置为“on”，其余设备设置为“off”。当任务B回迁完物理设备5中的数据后，任务B进入T7阶段，此时需将物理设备5设置为“off”，物理设备6设置为“on”，任务B开始回迁物理设备6上的数据。当任务A进入到T7阶段后，将物理设备7设置为“off”，将物理设备8设置为“on”，任务A继续在物理设备8上进行归档操作。任务A执行完T7阶段后结束。当任务B执行到T8阶段后，设置物理设备6状态为“off”，设置物理设备3状态为“on”。以此类推，任务B执行完T11阶段后结束。整个过程保证了当任务A和B并发时只有被访问的物理设备的状态是“on”，其余物理设备的状态是“off”，从而实现可定制的最大化节电策略。
Figure BDA0001544551160000061
表1。

Claims (7)

1.一种统一管理的、基于策略的低功耗归档分析系统，其特征在于，包含如下组成部分：系统调度模块、资源管理模块、节电模块、策略管理模块、元数据管理模块、离线资源池、物理存储设备集群；物理存储设备集群包含若干物理设备；系统调度模块负责接收和处理上层发送来的请求并负责调度节电模块；物理设备资源管理模块实现对物理存储设备集群的物理存储资源统一管理，将所有物理存储资源虚拟化为一个离线资源池；离线资源池被划分为n个资源子池，n为大于0的整数，每个资源子池对应不同的物理存储资源，由资源管理模块对物理存储资源进行动态划分和管理；节电模块调用物理设备的上下电功能或者MAID功能实现物理存储资源的节电控制；策略管理模块中包含m个节电策略，m为大于0的整数，系统根据应用特征智能选择节电策略；元数据管理模块管理元数据服务器集群，实现元数据与数据分离，提高系统整体归档和回迁性能；
所述物理存储设备集群在离线资源池层实现节电控制，而非直接对物理存储资源进行节电控制，所述节电策略为基于数据冷热的虚拟层能耗控制，策略将要访问的数据块设置为热，并调用节电模块将其所在的资源子池中的物理设备设置为工作状态，不访问或者访问过的资源子池中的物理设备设置为非工作状态，达到在虚拟存储层进行系统整体节电控制。
2.根据权利要求1所述的一种统一管理的、基于策略的低功耗归档分析系统，其特征在于：元数据服务器集群有2台元数据服务器，元数据服务器以HA方式运行，第一元数据服务器和第二元数据服务器被配置为镜像模式。
3.根据权利要求1所述的一种统一管理的、基于策略的低功耗归档分析系统，其特征在于：系统对所述物理存储设备集群采用全局统一命名空间，每个所述资源子池可独立的支持归档和回迁任务。
4.根据权利要求1所述的一种统一管理的、基于策略的低功耗归档分析系统，其特征在于：归档过程的节电控制，当归档请求发起时，先由系统调度模块捕获该请求，通过查询元数据服务器确定该请求的写入位置，假设写入位置位于资源子池1，
步骤一、将写入的数据块1到数据块i设置为热数据；
步骤二、调用节电模块将资源子池1中的物理存储资源，设置为工作状态；
步骤三、当资源子池1被写到水位后，调用节电模块提前启动另一个资源子池，此时假设是资源子池2；
步骤四、当资源子池1被写满后，其物理存储资源被设置为非工作状态，由资源子池2继续提供服务，已经写完的数据被设置为冷数据；
步骤五、如此循环直到资源子池n结束服务，实现在虚拟资源池层面的间接能耗控制，而非物理层面的直接能耗控制。
5.根据权利要求1所述的一种统一管理的、基于策略的低功耗归档分析系统，其特征在于：回迁过程的节电控制，包括如下步骤：
步骤一、当回迁请求发起时，先由系统调度模块捕获该请求，通过查询元数据服务器确定待回迁数据所在资源子池，此时假设回迁数据位于资源子池1；
步骤二、将待读取的数据设置为热数据；
步骤三、调用节电模块将资源子池1中的物理存储资源设置为工作状态；
步骤四、回迁结束后再通过节电模块将资源子池1中的物理存储资源设置为非工作状态，并将已经读完的数据设置为冷数据；
步骤五、如此循环直到资源子池n结束服务，实现在虚拟资源池层面的间接能耗控制，而非物理层面的直接能耗控制。
6.根据权利要求1所述的一种统一管理的、基于策略的低功耗归档分析系统，其特征在于：系统提供应用感知的策略，通过感知应用的IO模式，包括文件访问的时间局部性、空间局部性，记录下历史数据访问的冷热状态，并预测未来哪些数据可能会被访问，预先安排资源子池的工作状态转换，从而智能调度节电模块。
7.根据权利要求1所述的一种统一管理的、基于策略的低功耗归档分析系统，其特征在于：系统提供策略可编程接口，用户根据任务特征对节电模块的调度进行编程，动态可控的安排资源子池的工作状态转换和调整节电模块的使用策略，从而按需控制系统能耗。
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